柔性薄膜屋盖结构的风致流固耦合效应研究

Aiming to catch the wind induced fluid-structure interaction effects of the flexible membrane roof structures with different types and geometric profiles, numerical simulation and wind tunnel tests are adopted in this project. In order to understand the fluid-structure interaction mechanism, the dynamic characteristics of the membrane structures are determined firstly by theoretical analysis and numerical calculation. The aerodynamic properties of different membrane structures will be achieved. Based on these aeroelastic and aerodynamic characteristics of membrane structures, wind tunnel test models are manufactured and corresponding wind tunnel (PIV) tests are carried out to obtain the wind induced responses and wind loading distributions of the membrane roof structures. Comparison with the field measurement data, the reliability and applicability of the wind tunnel model can be evaluated and validated. According to the theoretical models and wind tunnel tests results, innovative numerical schemes are proposed to simulate the fluid-solid interaction of membrane roof structures. Wind induced deformation, stress states, vortex field and wind loading distribution can be calculated during the simulation process. Through this project, the mechanisms of wind induced fluid-solid interaction effects of membrane roof structures are revealed. The influences of fluid-structure interaction effects to the mechanical properties of flexible membrane structures can be also obtained, and certain related theoretical models and simulation methods can be developed too. The corresponding research achievements would be applied to solve the key scientific problems of wind-resistant safety of the membrane roof structures.

本项目拟将柔性薄膜屋盖结构作为研究对象，采用理论分析、风洞试验和数值模拟相结合的方法研究不同类型薄膜屋盖的风致流固耦合效应。项目首先针对流固耦合机理，采用理论分析和数值计算的方法获得考虑气弹效应的柔性薄膜结构动力特性，进而全面掌握不同薄膜结构的基本气弹性能；基于薄膜结构的气弹特点，构造气弹试验模型并开展PIV试验研究，获取详细的薄膜屋盖风荷载和风致响应全过程信息；再通过和相关理论模型的对比研究, 评估几种气弹试验模型的可靠性和适用性；基于上述理论推导和风洞实验结果，建立新型薄膜结构流固耦合数值计算方法，用来获得薄膜结构的风致振动形变与应力状态、漩涡场及风荷载分布形态变化的全过程信息等。通过本项目的研究，揭示柔性薄膜结构风致流固耦合效应的产生机理，得到柔性屋盖结构力学性能的影响规律，建立相关的分析模型与计算方法，研究成果将解决薄膜屋盖结构的抗风关键科学问题。

面向薄膜屋盖结构风致耦合效应的成因、机理与抗风，采用风洞试验方法，进行不同风场条件和不同模型的气动参数特性研究；同时结合粒子成像测速仪PIV识别柔性屋盖涡脱频率与脉动力频率的相关性，用以获取柔性屋盖与刚性屋盖的气动特性的差异。面向耦合效应的全过程，基于计算流体动力学CFD方法，采用大涡模拟LES结合动网格进行柔性模型的动力模型仿真，通过引入模型有限元刚度矩阵，形成以流体域—结构域—网格域三场耦合的计算模型；基于该模型结合数字图像相关法DIC提供的变形数据，分析耦合态下的柔性屋盖模型表面气动力变化，进而说明耦合效应产生的作用。. 采用数值模拟方法，完成了适用于多尺度流场的大涡来流条件，用于生成不同尺度、湍流空间分布特征和频谱特性的脉动风入口，用以考量不同湍流度条件下柔性与刚性屋盖风致响应的差异以及柔性屋盖气动刚度与气动阻尼效应；采用风洞试验方法，结合天平测力、PIV和DIC技术，完成了刚性与柔性屋盖模型在不同流场条件下，刚性与柔性屋盖模型的脉动升力变化、屋盖表面流场变化以及风致振动变形等数据，以获取不同类型屋盖气动特性。. 研究结果表明：相同尺度的刚性与柔性模型在不同来流条件下，模型表面气动升力的平均值十分接近，而模型表面气动升力的脉动值却随着湍流变化而变化；类似地，在同一来流条件下，随着模型振幅、频率和振动模态的变化，模型表面气动升力的平均值十分接近，而模型表面气动升力的脉动值却随着湍流变化而变化。综上可知，气动刚度使得柔性薄膜屋盖模型总刚度降低，进而降低其气弹稳定性；另外，气动阻尼使得柔性薄膜屋盖模型总阻尼增大，进而降低其风致响应。. 本项目的研究目标主要面向柔性薄膜屋盖的风致流固耦合效应，基于混沌吸引子理论原理，构建Navier-Stokes和Navier-Lame系统的耦合方程，并据此构造流体域—结构域—网格域三场耦合模型，配合PIV/DIC等无介入式光学测量技术，重点解决了大跨度柔性薄膜屋盖风致流固耦合的一般性规律和研究方法，为后续柔性屋盖风致耦合效应的临界状态确定和不同状态气动力贡献提供理论基础和研究平台。